全向天线在智能仓储无线定位中的多径传播特征

智能仓储里的货架、叉车、托盘和金属围栏，构成了一个反射面很多的无线环境。无线定位系统依靠基站天线接收标签发出的信号，再据此推算位置，信号在传播中经过的路径越复杂，量测值里包含的信息也就越丰富。全向天线在水平面内各方向的辐射接近一致，是定位基站最常见的选择之一。理解多径传播的特征，有助于把天线的特性、部署位置和定位精度对应起来。

一、仓储环境中的多径来源与特征

直射路径之外，信号还会经过货架金属立柱、钢制围栏、叉车车体、天花板和地面的反射，到达接收天线时，形成多个时间上先后到达、幅度各异的分量。仓储空间多为大跨度的开阔厂房，货架排列整齐，形成一条条平行的通道，反射路径具有一定的规律性。

多径的强弱可以用时延扩展来描述。工业环境中的均方根时延扩展，常见在几十纳秒到几百纳秒量级，具体与厂房尺寸和货物的堆放状态有关。货物的进出会让环境持续变化，同一位置的多径结构并不固定，这是仓储环境的一个显著特点。

频率不同，多径的表现也不一样。2.4GHz的波长约12.5cm，相邻的衰落凹点间隔约为半个波长，也就是6.25cm左右，5GHz附近的波长约5.5cm，凹点间隔缩小到2.7cm左右。接收点位置只要移动几厘米，场强就可能出现明显的起伏，幅度变化可以达到10dB至20dB。

二、多径对不同定位量测值的影响

基于信号强度RSSI的定位方法，受多径的影响最直接。RSSI在自由空间里随距离增大而衰减，2.4GHz频率下10m处的自由空间路径损耗约60dB，但在仓储环境中，多径叠加造成的起伏会叠加在这条规律曲线上，使同样的距离对应不同的读数。

基于飞行时间的方法，包括UWB测距和Wi-Fi往返时间测量，关键在于识别最先到达的直射路径。UWB标准IEEE 802.15.4z常用的信道5中心频率为6489.6MHz，信道9为7987.2MHz，信号带宽约500MHz，对应的时间分辨率约2ns，也就是约0.6m的路径差。路径差大于这个数值的多径分量，在时间上可以与直射路径分开。

基于到达角AoA的方法，通过天线阵列测量信号的相位差来推算方向，多径分量带来的相位叠加，会使测得的角度出现偏差。蓝牙5.1引入的方向查找功能，就属于这一类，实际部署中，通常需要结合算法来抑制多径的影响。

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三、全向天线的特性与多径的关系

全向天线在水平面内的方向图接近圆形，垂直面内呈扁平的环状，增益越高，垂直波束越窄。2dBi左右的天线垂直波束宽度较大，覆盖上下方向的范围宽，增益提高之后，垂直方向的覆盖会收窄，需要与安装高度配合，使标签的活动区域落在主瓣范围之内。

实际安装中，天线周围的金属物体会改变方向图。靠近金属立柱或天花板钢梁时，方向图可能出现偏移或凹陷，表现为某些方向的增益下降或升高。全向天线通常为垂直极化，标签天线的朝向会随货物摆放而变化，极化失配也会带来信号强度的起伏，这部分变化叠加在多径效应之上。

对于UWB和AoA这类依赖时间和相位的定位方式，天线的相位中心稳定性也很关键。天线内部的信号延迟会进入测距结果，通常需要通过天线时延校准加以补偿，同一批次的天线保持一致性，有利于校准的统一。

四、部署与选配要点

基站的安装位置，建议尽量让标签活动区域与基站之间保持较好的视距条件，高位安装有助于越过货架顶部，减少遮挡。二维定位至少需要三个基站参与，三维定位至少需要四个，基站的几何分布对定位精度有明显影响，在区域边缘适当加密，可以改善精度。

天线应与金属物体保持一定距离，避免紧贴货架立柱或金属安装板，必要时通过非金属支架把天线延伸到空间中。射频线缆的长度会引入损耗和延迟，UWB频段下同轴线缆的损耗比2.4GHz更大，线缆越短越好，同一批基站的线缆长度保持一致，也便于时延校准。对于已经投入运行的仓库，定位系统建成之后，建议保留一份基站位置、天线型号、线缆长度和校准数据的档案，货架布局调整后再对照档案复核，系统的状态会更清晰。

五、快问快答

Q：为什么说2.4GHz与5GHz的RSSI衰落凹点间隔不同？

A：多径叠加产生的干涉图样，由波长决定，相邻的场强极大与极小之间相隔约四分之一波长，相邻两个凹点之间约隔半个波长。2.4GHz的波长约12.5cm，半波长约6.25cm，5.5GHz附近的波长约5.45cm，半波长约2.7cm。频率越高，起伏的空间周期越短，在同样的移动距离里，经历的起伏次数越多。对基于RSSI的定位，这意味着高频段的读数更容易出现短距离内的波动，通常需要增加采样与滤波的处理。

Q：UWB的500MHz带宽为什么有利于分辨多径？

A：信号的时间分辨率大致与带宽成反比，500MHz对应的脉冲宽度约2ns，电磁波在2ns内传播约0.6m。当直射路径与反射路径的长度差超过0.6m左右，两个脉冲在接收端就能被区分开，接收机可以把最先到达的脉冲识别为直射路径，进而得到较准确的距离。带宽较窄的信号，脉冲更宽，相邻的多径分量容易重叠在一起，难以分辨。因此，UWB在多径丰富的仓储环境里，测距的稳定性较好。

Q：Wi-Fi往返时间测距与UWB相比，在仓储定位里各有什么特点？

A：Wi-Fi的往返时间测距基于IEEE 802.11mc的精细时间测量FTM，可以利用已有的Wi-Fi网络，部署成本较低，信道带宽常见为20MHz至80MHz，时间分辨率低于UWB，测距精度通常在米级。UWB的带宽约500MHz，测距精度可以达到十厘米量级，更适合对精度要求较高的场合，如叉车防碰撞和货位精确定位。两者可以按需求搭配，在覆盖范围大、精度要求适中的区域采用Wi-Fi，在重点区域部署UWB。

Q：基于机器学习的指纹定位，对天线有什么要求？

A：指纹定位通过采集各位置的信道特征，比如RSSI或信道状态信息CSI，建立指纹库，运行时再与实时数据匹配。指纹库的有效性建立在天线特性稳定的基础上，天线型号、安装高度、朝向和周围环境一旦变化，指纹的分布也会随之变化。因此，选用方向图一致性好的天线，并固定安装方式，有助于指纹库的长期使用。货架布局调整较大时，可以对受影响的区域做局部更新，保持指纹库与现场环境的一致。

审核编辑 黄宇